Исследование структуры адронов в процессах с образованием очарованных мезонов Кузнецов Олег Михайлович

Введение к работе

Актуальность. За прошедшие 40 лет, с момента открытия очарованных с-кварков, изучение свойств и структуры очарованных адронов постепенно уступило место их использованию в качестве инструмента при исследовании, как открытых позже более тяжёлых прелестных адронов, так и спиновой структуры нуклона. Если первое явилось логическим следствием того факта, что прелестный Ь-кварк в "Cabbibo неподавленной" моде переходит в очарованный кварк, то идея использования очарованных D⁰ мезонов (кварковый состав си) для измерения поляризации глюонов в нуклоне и их возможного вклада в его спин, является глубоко нетривиальной, как по сути, так и с точки зрения поиска решения затяжного спинового кризиса протона, известного с 1988 года.

Первая часть диссертации посвящена использованию очарованных мезонов в качестве инструмента для изучения В мезонов, прежде всего В (кварковый состав bs) и В (кварковый состав bs). В Стандартной модели (СМ) структуры и взаимодействий элементарных частиц смешивание или осцилляции В-В являются прямым следствием слабого взаимодействия во втором порядке и относятся к одному из основных её предсказаний. Поиск В-В осцилляции входил в число приоритетных задач эксперимента DELPHI (DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification) в CERN. Система B-B, аналогично системе K-K, имеет два собственных массовых состояния, различающихся временем жизни. Измерение разницы масс Атв собственных СР состояний В мезона, определяющей частоту осцилляции, и поэтому называемой просто частотой осцилляции, представляло интерес по нескольким причинам. С одной стороны это связано с возможностью прецизионного определения отношения элементов |Vtd/Vts| матрицы смешивания кварков СКМ (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa), с другой стороны чувствительностью самой величины Дт_во к проявлениям новой физики. Кроме того, одной из главных задач В-физики являлось прецизионное определение значений р и г] параметров СКМ матрицы. Одно из ограничений на р и г\ параметры может быть получено из измерений частот осцилляции Атв и Атв-

В диссертации рассматривается поиск В-В осцилляции тремя взаимодополняющими методами, из которых первые два являются инклюзивными, а третий - эксклюзивным:

1. анализ полулептонных распадов В мезонов с полностью или частично реконструированными D_s мезонами;

2. анализ адронных распадов В мезонов с полностью реконструированными D_s мезонами;

3. анализ полностью реконструированных В мезонов.

Вторая часть диссертации посвящена изучению вклада глюонов в полный спин нуклона в процессах с образованием очарованных D⁰ мезонов. Распределение спи-

ральности глюонов, Ад(х), как функции доли импульса нуклона, х, переносимой взаимодействующим глюоном, является фундаментальной величиной, характеризующей его структуру. Первый момент спиральности глюонов AG = J_Q Ag{x)dx интерпретируется, как вклад глюонов в полный спин нуклона. Таким образом AG является ключевой составляющей правила сумм спиральности нуклона: \ = |AS +AG + L_q + L_g, где AS является вкладом спина кварков и антикварков, a L_q и L_g соответствующие вклады орбитального углового момента кварков и глюонов. Первоначально предполагалось, что полный спин нуклона определяется вкладами входящих в его структуру валентных кварков. Однако, результат эксперимента EMC (European Muon Collaboration) показал, что вклад кварков в полный спин протона мал, что получило название "спиновый кризис". Изящным решением "спинового кризиса" был бы большой (AG ~ 2, 6) вклад глюонов в полный спин нуклона, предсказываемый в рамках "глюонной аксиальной аномалии". Измерение величины AG стало одной из приоритетных задач эксперимента COMPASS (Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) в CERN.

В диссертации рассматривается прямое измерение поляризации глюонов, основанное на изучении двойной спиновой асимметрии A^lN^^{D х} выходов очарованных D⁰ мезонов в реакции Глубоко-Неупругого Рассеяния (ГНР) мюонов с импульсом 160 ГэВ/с на поляризованных дейтронах и протонах.

Цели и задачи исследования. Целью работы являлись поиск В-В осцилляции и измерение вклада глюонов в полный спин нуклона. В обоих случаях рабочим инструментом исследований являлись очарованные мезоны. Научная новизна.

Впервые полностью реконструированные В мезоны были использованы в поиске В-В осцилляции;

впервые показано, что полностью реконструированные распады В мезонов обеспечивают чувствительность к значительно большим значениям Атв, чем полулептонные распады В, доминирующие в области малых значений Атво;

частицы с тяжёлым кварком (D⁰ мезоны) впервые были использованы для изучения внутренней структуры нуклона;

поляризация глюонов Ад/д впервые измерена посредством двойной спиновой асимметрии A^lN^^{D х} выходов очарованных D⁰ мезонов в реакции фотон-глюон-ного слияния ГНР;

впервые показано, что вклад глюонов в полный спин нуклона, если он положителен, составляет AG ~ 0,2.

Практическая ценность.

Методы поиска В-В осцилляции, представленные в диссертации, явилисв решающими в последующие годы для открытия В-В осцилляции в Fermilab;

измерение времени жизни В мезона вносит вклад в уточнение механизмов распада тяжёлых частиц;

результаты измерения поляризации глюонов Ад/д (с последующим извлечением вклада спиральности глюонов AG в полный спин нуклона) показали, что для решения спинового кризиса, необходимо измерение вклада орбитальных моментов кварков и глюонов, а также, позволили предсказать величину этого вклада.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Впервые использованный диссертантом метод полностью реконструированных В мезонов для анализа В-В осцилляции;

2. Диссертант впервые показал, что этот метод, обеспечивает наилучшую чувствительность к большим значениям Атв, по сравнению с инклюзивными методами;

3. Нижний предел на частоту осцилляции В мезона

Атв > 8,5 пс^-1 на 95% уровне достоверности с чувствительностью 12,0 пс^-1;

4. Верхний предел на относительную разницу ширин распада АГво/Гво собствен
ных массовых состояний В мезона

АГ_во/Г_во < 0,45 на 95% уровне достоверности;

5. Измерение среднего времени жизни В мезона

т_во = 1,46 ±0,11 пс;

6. Впервые выполненные измерения поляризации глюонов Ад/д наиболее модель-но-независимым способом: методом "открытого очарования";

7. Средняя величина поляризации глюонов, полученная в лидирующем порядке теории возмущений КХД (LO), в интервале 0,06 < х < 0,22 долей импульса нуклона, приходящихся на взаимодействующие глюоны

_т

=-0, 06 ±0,21 (стат.) ±0,08 (сист.) при (х) «0,11;

8. Средняя величина поляризации глюонов в интервале 0,12 < х < 0,33, полу
ченная в следующем за лидирующим порядке теории возмущений КХД (NLO)

=-0,13 ± 0,15 (стат.) ± 0,15 (сист.) при (х) «0,20;

9. Указание на малое значение величины поляризации глюонов Ад/д , полученное
в лидирующем порядке теории возмущений КХД методом "открытого очарова
ния", и подтверждённое прямыми измерениями SMC, HERMES и COMPASS
методом "больших рт";

10. Величина первого момента поляризации глюонов AG = 0, 22±0, 08, полученная

/ v NLO

из КХД анализа, в который было включено измеренное значение ( — ) ;

11. Оценка вклада орбитального момента кварков и глюонов в полный спин нукло
на составившая ~ 18% в соответствии с правилом сумм спиральности нуклона.

Достоверность представленных в диссертации результатов подтверждается:

1. Открытием В-В осцилляции на основе метода полностью реконструированных В мезонов;

2. Согласием измеренного среднего времени жизни В мезонов с мировыми значениями PDG;

3. Согласием результата измерения поляризации глюонов в лидирующем порядке теории возмущений КХД с измерениями экспериментов SMC и HERMES;

4. Согласием величины первого момента поляризации глюонов AG « 0, 2 со значениями, полученными в КХД анализах с использованием данных экспериментов на RHIC.

Апробация работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, неоднократно обсуждались на рабочих совещаниях коллабораций DELPHI и COMPASS, на специализированных семинарах по физике высоких энергий и элементарных частиц в отечественных и зарубежных научных центрах: ОИЯИ и ЦЕРН. Кроме того, эти результаты представлялись на международных конференциях: НЕР'97 (Jerusalem, Israel, 1997), Moriod (Les Arcs, France, 1998), ICHEP'98 (Vancouver, Canada, 1998), HEP'99 (Tampere, Finland, 1999), ICHEP2000 (Osaka, Japon, 2000), ICHEP'06 (Moscow, Russia, 2006), BARYONS'07 (Seoul, South Corea, 2007), BEACH2008 (South Coroline, USA, 2008), ЕСТ Trento (Trento, Italy, 2010), DIFFRACTION2010 (Otranto, Italy, 2010), QFTHEPT1 (Sochi, Russia, 2011), BEACH2012 (Wichita, USA, 2012), TRENDS (Aluthta, Ukraine, 2013), QUARKS2014 (Suzdal, Russia, 2014), DIFFRACTI-ON2014 (Primosten, Croatia, 2014) и QCD15 (Montpellier, France, 2015).

Публикации и личный вклад автора По результатам диссертации опубликовано 16 работ. Список работ приведён в конце автореферата. Для того, чтобы подчеркнуть вклад автора, в диссертации цитируются а) внутриколлаборационные отчёты и материалы, представленные на конференции (в обоих случаях с ограниченным числом авторов); б) доклады диссертанта на конференциях и коллаборационных совещаниях. Вклад автора в полученные результаты является определяющим.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав основного текста, заключения и трёх приложений. Общий объём диссертации составляет 157 страниц. Диссертация содержит 56 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 188 наименований.